CN104409124A - 一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料的研制方法，以富氢热塑性树脂为基材、含硼化合物作为中子吸收剂、金属铅作为γ射线吸收剂，辅以一定比例的功能助剂，经定量称取、混炼均匀，在一定的压力和温度场条件下，通过分段模压定型、分段模压成型等工艺制备而成。本发明制备工艺简单，操作方便，制备出的辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，外表观状态良好、无裂纹；内部无缩孔和缝隙，密度均匀，材料力学性能良好，对中子和γ射线兼具有良好的屏蔽性能，广泛应用于核反应堆、核电站、同位素辐射源装置、石油探井装备、加速器、同位素中子源等场所的中子和γ射线电离辐射防护和研究领域。

Description

一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料及制备方法
所属技术领域
本发明涉及核辐射屏蔽材料制备技术领域，具体涉及到一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料及制备方法。
背景技术
随着核技术的发展，各种辐射源广泛应用于核反应堆、核电站、同位素辐射源装置、石油探井装备、加速器、同位素中子源等设施，在同位素源等核设施产生的电离辐射中，特别重视对穿透力大的γ射线和中子的辐射屏蔽。由于中子的质量与质子很接近，基于弹性碰撞机理，含氢量高的材料对中子的慢化有明显作用；而硼、锂、钆及其化合物是优良的热中子吸收剂；在吸收中子的同时常伴随着能量的释放，产生γ射线，而重金属钨、铅、铱、铁对γ射线有很高的屏蔽性能，是理想的γ射线屏蔽材料。用富氢热塑性树脂为基体，优选适宜的中子吸收剂和重金属材料，通过共混、模压等工艺制出屏蔽材料，以满足核辐射场所的屏蔽使用要求。
对于辐射强度较大的核辐射源，其屏蔽装置需要一定的厚度才能保证仪器设备和操作人员的安全，而目前在设计屏蔽组件时，基于聚烯烃屏蔽材料制备厚度的限制，往往通过多层叠加的方法满足屏蔽厚度要求，但是大厚度整体材料的屏蔽效果要优于多层叠加材料，如厚度超过250mm的铅硼聚乙烯材料的屏蔽性能优于多层叠加至250mm厚的铅硼聚乙烯材料。对于某些特殊的设备，例如微堆准直器、中子探伤机和中子照相仪器等设备的屏蔽装置，由于外形结构复杂，无法通过多层叠加的方式达到屏蔽防护要求，只能采用整体厚度的屏蔽材料制作屏蔽装置。目前，国内关于超厚屏蔽材料的研究基本上属于空白，因为其对成型工艺提出了很高的要求，以热塑性树脂为基材的大尺寸、超厚材料很容易出现内部缩孔、外表面裂纹、密度均匀性差等缺陷，制品合格率很低。此外，有时为了使材料具有更好的屏蔽效果，需要添加大量的中子吸收剂和γ射线吸收剂，添加比例甚至超过60％，过高的添加量决定了材料中树脂基材含量的大大降低、熔体流动性变差，这些会对材料的力学强度和成型加工带来严重影响。
当前，结合辐射混合场用高填充量、超厚屏蔽材料自身的性能特点，开展对中子吸收剂、γ助剂的选用和添加比例以及材料成型工艺的研究，解决材料存在的缺陷，拓宽屏蔽材料的应用领域，提升核防护的整体制备技术水平，最大限度对人体核辐射安全提供有效防护，研制开发辐射混合场用高填充复合屏蔽材料是本领域当前面临的重要任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，同时也提供其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，以富氢热塑性树脂为基材、单体硼或含硼化合物作为中子吸收剂、金属铅作为γ射线吸收剂，辅以功能助剂，经定量称取、混炼均匀，在一定的压力和温度场条件下，通过模压定型等工艺制备而成，其中，屏蔽材料中各组分的含量为：
富氢热塑性树脂：15-30％，
单体硼或含硼化合物：5-40％，
铅：50-80％，
功能助剂：1-5％；
以上屏蔽材料混合物中各组分含量为重量百分比。
上述所述的富氢热塑性树脂包括：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物或其混合物。
上述所述的单体硼或含硼化合物为：单体硼粉、碳化硼或氧化硼。
上述所述的铅为：铅粉或铅粒。
上述所述的功能助剂为：硬脂酸钙、抗氧化剂1010、抗氧剂7910或纳米蒙脱土。
辐射混合场用高填充复合屏蔽材料的制备工艺为：
(1)熔融共混：按配比定量称取富氢热塑性树脂、单体硼或硼化合物和铅，在150-180℃下，先将富氢热塑性树脂塑炼10-15min，然后加入单体硼或含硼化合物以及功能助剂，混炼5-15min，最后加入铅，再混炼10-20min，将混合的熔融态物料放入定型模具中；
(2)模具初始控制温度：通过外部装置给与成型模具加热，定型模具初始温度控制在150-180℃；
(3)模压分段定型：在1-2MPa压力下进行预压5-15min，然后缓慢提高压力至5-15MPa，以保证熔融物料在模具内分布均匀，保压5-15min后再缓慢加压至15-20Mpa；
(4)成型压力分段控制：当压力升至15-20Mpa后，开始降温过程的成型压力控制，在模具温控***温度降到120±5℃之前时，将***压力控制在15-20Mpa之间，而后，当模具温控***温度降至120℃附近时，开始自然降压；
(5)成型温度分段控制：当成型压力达到预定值时，以1℃/2h的速度开始降温，当温度达到120℃附近时，降温速度为2℃/h的速度继续冷却至出模；
待模具温控***温度降至90-100℃之间时出模，制成辐射混合场高填充量、超厚屏蔽材料。
本发明基于中子和γ射线辐射防护理论，根据弹性碰撞能量损失机理，为将快中子慢化为热中子，同时鉴于制品厚度较大且填料高，为保证屏蔽材料具有较好的流动延展性能，具有较好机械强度，选择熔融指数较高、延展性较好且兼具一定弹性的富氢热塑性树脂为基材。屏蔽热中子采用吸收截面大、俘获γ光子能量低的材料，硼(10B)天然丰度为20％，易得到，因此选择硼及其化合物为中子吸收剂，以保证有效吸收热中子，确保材料中子屏蔽性能。γ射线与物质相互作用，将能量传递给介质中的束缚电子，入射粒子本身消失或被散射，从屏蔽效果、获得来源和材料成本考虑，最适宜的γ射线吸收剂是金属铅，因此选择铅作为γ吸收剂。本发明制备的屏蔽材料具有屏蔽功能添加剂含量高、厚度大的特点，由于含硼化合物和铅属于无机填料，而所用的富氢热塑性树脂为有机高分子材料，其与无机填料之间界面结合性较差，会影响材料的力学性能；而另一方面由于制品厚度大，成型过程中易造成冷却速度不均而使材料内部结晶度不同产生内应力，导致制品内部容易形成缩孔。而本技术方案采用分段定型、分段控制压力及温度的方法，改善了无机填料与有机高分子材料之间界面结合性差的问题，也解决了制品内部易形成缩孔的问题，既保证了材料的密实度，又解决了成型过程中出现的裂纹、缩孔等工艺缺陷。
采用上述技术方案制备得到的高填充量、超厚屏蔽材料具有表观良好，内部无孔洞，经性能测试，高填充量、超厚屏蔽材料力学性能良好，材料对于热中子和γ射线具有较好的屏蔽性能，达到了发明目的。
材料性能及测试设备信息见表1～表3。
表1 材料力学性能
序号 测试项目 性能指标 测试结果 测试执行标准
1 密度(g/cm3) 3.42±0.1 3.42 GB/T 1033.1-2008
3 拉伸强度(MPa) ≥7.50 8.73 GB/T 1040-2006
5 冲击强度(kJ/m2) ≥4.00 4.75 GB/T 1043.1-2008
6 抗弯强度(MPa) ≥10.0 11.60 GB/T 9341-2008
表2 材料屏蔽性能
表3 测试设备一览
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：
一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，以高密度聚乙烯L501为基材、碳化硼作为中子吸收剂、铅粉作为γ射线吸收剂，辅以抗氧剂1010、硬脂酸钙，经定量称取、混炼均匀，在一定的压力和温度场条件下，通过模压定型等工艺制备而成，其中，屏蔽材料中各组分如下：
辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其各组分含量以重量百分比计：
其工艺步骤如下：
(1)混炼
按配比定量称取高密度聚乙烯L501、碳化硼和铅粉，在170℃下，先将高密度聚乙烯塑炼15min，然后加入碳化硼、抗氧剂1010和硬脂酸钙，混炼10min，最后加入铅粉，继续混炼15-20min后，将混合的熔融态物料放入定型模具中；(2)模具初始控制温度
通过外部装置给与成型模具加热，定型模具初始温度控制在150-160℃；
(3)模压分段定型
在1-2MPa压力下进行预压5-15min，然后缓慢提高压力至5-15MPa，以保证熔融物料在模具内分布均匀，保压10-15min后再缓慢加压至15-20Mpa；
(4)成型压力分段控制
当压力升至15-20Mpa后，开始降温过程的成型压力控制。在模具温控***温度降到120±5℃之前时，将***压力控制在15-20Mpa之间，而后，当模具温控***温度降至120℃附近时，开始自然降压；
(5)成型温度分段控制
当成型压力达到预定值时，以1℃/2h的速度开始降温，当温度达到120℃附近时，降温速度为2℃/h的速度继续冷却至出模；待模具温度降至95℃时出模，制成长宽尺寸为1000mm×900mm，厚度为280mm的辐射混合场用高填充量、超厚屏蔽材料。
实施例2：
一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，以聚丙烯为基材、单体硼作为中子吸收剂、铅粒作为γ射线吸收剂，辅以抗氧剂7910、硬脂酸钙和纳米蒙脱土，经定量称取、混炼均匀，在一定的压力和温度场条件下，通过模压定型等工艺制备而成，其中，屏蔽材料中各组分如下：
辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其各组分含量以重量百分比计：
其制备工艺步骤与实施例1相同。
本以上是根据本发明的技术方案给出的两个具体实施例，但本发明的保护范围不限于上述所述的实施例。

Claims (6)

1.一种辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，以富氢热塑性树脂为基材、单体硼或含硼化合物作为中子吸收剂、金属铅作为γ射线吸收剂，辅以功能助剂，经定量称取、混炼均匀，在一定的压力和温度场条件下，通过模压定型等工艺制备而成，其中，屏蔽材料中各组分的含量为：
富氢热塑性树脂：15-30％，
单体硼或含硼化合物：5-40％，
铅：50-80％，
功能助剂：1-5％；
以上屏蔽材料混合物中各组分含量为重量百分比。
2.根据权利要求1所述的辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其特征在于：所述的富氢热塑性树脂包括：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物或其混合物。
3.根据权利要求1所述的辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其特征在于：所述的单体硼或含硼化合物为：单体硼粉、碳化硼或氧化硼。
4.根据权利要求1所述的辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其特征在于：所述的金属铅为：铅粉或铅粒。
5.根据权利要求1所述的辐射混合场用高填充复合屏蔽材料，其特征在于：上述所述的功能助剂为：硬脂酸钙、抗氧化剂1010、抗氧剂7910或纳米蒙脱土。
6.制备权利要求1所述辐射混合场用高填充复合屏蔽材料的工艺步骤如下：
a.熔融共混：按配比定量称取富氢热塑性树脂、单体硼或硼化合物和铅，在150-180℃下，先将富氢热塑性树脂塑炼10-15min，然后加入单体硼或含硼化合物以及功能助剂，混炼5-15min，最后加入铅，再混炼10-20min，将混合的熔融态物料放入定型模具中；
b.模具初始控制温度：通过外部装置给与成型模具加热，定型模具初始温度控制在150-180℃；
c.模压分段定型：在1-2MPa压力下进行预压5-15min，然后缓慢提高压力至5-15MPa，以保证熔融物料在模具内分布均匀，保压5-15min后再缓慢加压至15-20Mpa；
d.成型压力分段控制：当压力升至15-20Mpa后，开始降温过程的成型压力控制，在模具温控***温度降到120±5℃之前时，将***压力控制在15-20Mpa之间，而后，当模具温控***温度降至120℃附近时，开始自然降压；
e.成型温度分段控制：当成型压力达到预定值时，以1℃/2h的速度开始降温，当温度达到120℃附近时，降温速度为2℃/h的速度继续冷却至出模；
待模具温控***温度降至90-100℃之间时出模，制成辐射混合场高填充量、超厚屏蔽材料。
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Application publication date: 20150311

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